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太阳功率辐射密度计算公式太阳能是一种清洁、可再生的能源，是人类解决能源危机和环境污染问题的重要途径之一。
太阳能的利用需要对太阳辐射进行精确的测量和计算，其中太阳功率辐射密度是一个重要的参数。
本文将介绍太阳功率辐射密度的计算公式和相关知识。
太阳功率辐射密度是指单位面积上太阳辐射的功率密度，通常以瓦特每平方米（W/m²）为单位。
它是太阳能光伏发电系统设计和评估的重要参数，也是太阳能热利用系统设计和性能评价的重要依据。
太阳功率辐射密度的计算公式如下：\[ P = S \times \eta \]其中，P为太阳功率辐射密度（W/m²），S为太阳常数，取值约为1367W/m²，是太阳辐射在地球大气层外的平均值；η为大气透过率，是地球大气对太阳辐射的吸收和散射的影响因素。
在实际应用中，大气透过率η通常采用经验公式进行估算。
根据大气透过率的不同，太阳功率辐射密度在不同地区和不同时间会有所不同。
一般来说，太阳功率辐射密度在赤道附近最大，向极地逐渐减小，同时在不同季节和不同天气条件下也会有所变化。
太阳功率辐射密度的计算公式为太阳能系统的设计和性能评价提供了重要依据。
在太阳能光伏发电系统设计中，太阳功率辐射密度的准确计算可以帮助确定光伏组件的数量和布局，优化系统的发电效率；在太阳能热利用系统设计中，太阳功率辐射密度的准确计算可以帮助确定集热器的数量和布局，优化系统的热能利用效率。
除了太阳功率辐射密度的计算公式外，还需要考虑太阳能系统的方位角、倾斜角、阴影遮挡等因素对太阳辐射的影响。
在实际工程中，通常会借助于太阳能辐射计、光伏发电系统模拟软件等工具进行太阳辐射的测量和计算，以提高太阳能系统的设计精度和性能。
总之，太阳功率辐射密度是太阳能系统设计和性能评价的重要参数，其计算公式为P = S ×η。
在实际应用中，需要考虑大气透过率、方位角、倾斜角、阴影遮挡等因素对太阳辐射的影响，借助于太阳能辐射计、光伏发电系统模拟软件等工具进行太阳辐射的测量和计算，以提高太阳能系统的设计精度和性能。
第9卷1期应用气象学报V o l .9,N o .1 1998年2月QUA R T ERL Y JOU RNAL O F A PPL IED M ET EOROLO GY February 1998 地球大气透过率及辐射率计算Ξ吴 晓(国家卫星气象中心,北京100081)提 要文章介绍了一种比较简单实用的地球大气的光谱透过率和到达大气层顶的红外辐射率的计算模型,光谱波长从4Λm 到∞Λm ,吸收气体H 2O 、CO 2、O 3的吸收计算采用E lsasser 带模式及其经验参数,H 2O 的连续吸收公式是美国LOW TRAN 26计算程序的水汽连续吸收经验公式.透过率的计算结果与LOW TRAN 计算结果相一致.以这种透过率简化模型为基础,建立了辐射传递正演计算模型,开发了相应软件,并用于卫星遥感射出长波辐射的资料处理中,取得了良好结果.关键词:大气透过率 辐射率 射出长波辐射1 大气透过率的计算模型本文计算中取光谱间距为10c m -1,计算分子带吸收、气溶胶消光、H 2O 分子连续吸收的大气平均透过率,分子带吸收由H 2O ,O 3和大气均匀混和气体CO 2,CH 4,N 2O 各自的透过率组成.10c m -1波数范围内的分子带吸收平均透过率由下列公式表示[1]:Σ=f (k w 3)(1)式中,k 是与波数相关的吸收系数,w 3是气体分子的有效吸收量,如下式表示:w 3=w (p z p 0) (T 0T z )12(2)w 是吸收气体的实际含量(用g 或c m 表示),p 0=1个大气压,T 0=293.16K .水汽分子的连续吸收系数[2]:k c (r )=Θs r tan h (hcr 2kT ) Θs Θ0 C s (r ,T )+(Θf Θ0) C f (r ,T )(3)函数tan h (x )=e x -e -x e x +e -x (4)Θs 是水汽数密度,Θf 是其它气体的数密度,Θ0是S T P (气压1013hPa 、气温296K )状态下的空气数密度.分为N 层的大气柱的水汽连续吸收率则为:∑N i =1∫i k c (r )d s =C s (r ,296)∑N i =1∫i (Θi Θ0)Θi d s +[C s (r ,260)-Ξ19960628,19970918.C s (r ,296)]∑Ni =1(296-T i 296-260)∫i (Θi Θ0)Θi d s +C f (r ,296)∑N i =1∫i (Θf Θ0)Θi d s (5)式中,C s (r ,296)=r tan h (hcr 2k (296)) Cs (r ,296)C s (r ,260)=r tan h (hcr 2k (260)) Cs (r ,260)C f (r ,296)=r tan h (hcr 2k (296)) C f (r ,296)C s (r ,T )、C f (r ,T )是水汽自加宽连续吸收系数和外加宽连续吸收系数,C s 、C f 的具体数据见图1.图1 (a )水汽自身密度决定的连续吸收参数 (b )外密度决定的水汽连续吸收参数垂直大气柱的水汽连续吸收透过率函数:Σc =e -∑N i =1∫i k c (r )d s (6) 大气均匀混和气体CH 4、N 2O 的7.6Λm 、7.8Λm 吸收带透过率模式如下[3]:Σ=e-(w 3w e )Γ(7)式中,w e 是环境气压740mm H g 和气温300K ,透过率Σ=e -1时的纯吸收气体含量(单位:c m ).w 3是有效吸收含量:w 3=w p zp 0(8)p 0=740mm H g ,w 是CH 4、N 2O 的实际含量,经验系数Γ取值:CH 4,Γ=0.46;N 2O ,Γ=0.48.气溶胶消光的透过率函数如下[4]:Σ=e -r ∃L(9)∃L 是大气路径(km ),r 是气溶胶消光系数.r =b +k(10)b 是气溶胶散射系数,k 是气溶胶吸收系数.2 地球大气辐射模型对于4Λm 以上的长波区,地球表面辐射作为黑体辐射处理,其辐射率由普朗克函数表示:B (r ,T )=C 1r 3e c 2r T -1.0(11)式中,r 是波数,C 1=1.191068×10-5,C 2=1.438833,B (r ,T )是黑体辐射率(单位:10-7J c m 2·s ·sr ·c m -1).5211期 吴 晓:地球大气透过率及辐射率计算 穿过地球大气到达外界的辐射率B (r ,T ′)由辐射传递积分方程表示:B (r ,T ′)=B (r ,T 0)Σb t +∫1Σa B (r ,T )Σs d Σa (12)Σa 是分子吸收透过率,Σs 是分子散射和气溶胶散射透过率,Σb t 是总透过率:Σb t =Σa ΣsB (r ,T 0)是地表辐射率.为简化计算过程,在辐射传递计算中作了如下处理:(1)大气分为40层均质层,从海平面到60km ,60km 以上的大气忽略不计.(2)折射效应没有包括进大气路径的计算中.(3)10c m -1波数区间的平均透过率用一个特殊的参数化的经验公式表示,它可表示为吸收系数和有效吸收路径量乘积的函数.(4)在给定波数的10c m -1区间内的总平均透过率是分子吸收带透过率、气溶胶消光透过率、水汽连续吸收透过率的乘积.(5)大气的气溶胶模式以能见度V IS <5km 的“雾霾大气”和V IS >23km 的“干洁大气”两类状态为标准.(6)计算中未考虑散射的影响.3 大气透过率和辐射率计算结果大气透过率和辐射率的计算结果举例在图2至图4中给出.图2表示到达大气层顶的辐射率,光谱波长从4Λm 到∞Λm ,计算中使用的是41.08°N 、121.07°E 1986年1月2日的晴空探空资料,能见度5km .图3表示大气整层的水汽透过率和气溶胶消光透过率,光谱波长从4Λm 到∞Λm ,探空资料同图2,气溶胶模式是“雾霾大气”模式.图4表示大气整层的CO 2气体吸收透过率、O 3吸收透过率、CH 4气体吸收透过率、N 2O 气体吸收透过率.4 应用和讨论本计算模型是基于美国A FGL LOW TRAN [5,6,7]计算结构,透过率计算的精度、射出长波辐射率计算的精度基本满足要求.计算中使用的探空资料是1986年全球各台站探空资料,每条廓线的计算结果适用于辐射传递理论方面的应用和卫星遥测资料的模拟,图2 到达地球大气外界的辐射率光谱(1986年1月2日,p 0=1022hPa ,T 0=251.86K ,晴空,41.08°N ,121.07°E 探空资料)621 应 用 气 象 学 报 9卷图3 水汽透过率和气溶胶消光透过率光谱(说明同图2)图4 CO 2、O 3、CH 4和N 2O 透过率光谱(说明同图2)基于本模型建立了NOAA 214、G M S 25气象卫星的地球窄波段辐射率—长波射出辐射通量密度的辐射转换模式,取得较好效果.利用本计算模型开发出简单实用的辐射传递计算软件,此软件在卫星遥感地气系统射出长波辐射(OL R )资料处理中得到应用,例如卫星遥感资料的临边变暗订正公式[8]R (0)=R (Η)+[Α1+Α2R (Η)](sec Η-1)+[Β1+Β2R (Η)](sec Η-1)2(13)式中R (0)和R (Η)分别为卫星视角为0和Η时的测值,Α1、Α2、Β1、Β2为临边变暗系数.窄波段通道温度T B 到全波段通量密度亮温T F 的变换公式:T F =a +b T B +cT 2B(14)利用本正演软件,通过正演模拟计算可确定临边变暗系数和转换公式(14)中的系数a 、b 、c .参考文献1 E lsasser W M ,Culbertson M F .A tmo spheric R adiati on T ables .M eteo ro logicalM onograph s ,AM S .1960.43.2 A FCRL .ed .“A tmo spheric trans m ittance radiance :Computer code LOW TRAN 26”.A FCRL 2TR 285,1985.3 A nding D avid .Band 2model m ethods fo r computing atmo spheric slant 2path mo lecular abso rp ti on .I R I A state 2of 27211期 吴 晓:地球大气透过率及辐射率计算 821 应 用 气 象 学 报 9卷the2art repo rt,714222127,Infrared and Op tical Senso r L abo rato ry,W illow R un L abo rato ries,T he Institute of Science and T echno logy,T he U nivevsity of M ich igan.1967.4 M cC latchey R A,Fenn R W,Selby J E,V o lz F E,Garing J S.Op tical p roperties of the atmo sphere,A D 753075,A FCRL27220495,1972.5 Kneizys F Y,Shettle E P,Gallerg W O.“A tmo spheric trans m ittance radiance:T he LOW TRAN5Code”.SP IE V o l.277,A tmo spheric T rans m issi on.1981.119.6 Selby J E A andM cC latchey R A.A tmo spheric trans m ittance from0.25to28.5Λm:Computer code LOW TRAN22.A FCRL2TR27320745.1972.7 上海技术物理研究所编.可见光和红外辐射在大气中的透过率.中国科学院上海技术物理研究所出版.1972.8 吴 晓,邱康睦,阴立新.NOAA极轨气象卫星的地气射出长波辐射产品.卫星气象技术报告,9323期,1993.CALCULAT I ON OF EARTH AT MOSPHER I CTRANS M ISSIV IT Y AND RAD I ANCEW u X iao(N ational S atellite M eteorolog ical Center,B eij ing100081)AbstractA si m p lified calcu lati on m ethod of the earth atm o sp heric spectrum tran s m issivity and the I R radiance arrived at the top of atm o sp here is in troduced.Spectral range is from4Λm to∞Λm.T he E lsasser band m odel and em p irical p aram eters are u sed to cal2 cu late the ab so rp ti on of H2O,CO2and O3.T he con tinuou s ab so rp ti on of H2O is calcu2 lated by LOW TRAN26em p irical equati on.T he calcu lated resu lts of tran s m issivity are co incided w ith tho se of LOW TRAN.B ased on the si m p lified tran s m issivity m odel,a ra2 diative tran sfer regressi on m odel is set up,and relevan t softw are is developed.It is ap2 p lied in data p rocessing of satellite ou tgo ing longw ave radiati on,and good resu lts are ob tained.Key words:A tm o sp heric tran s m issivity R adiance O u tgo ing longw ave radiati on。
太阳辐射强度的计算公式可以分为直射强度和散射强度的计算。
太阳辐射直射强度的计算公式为：
I_B = I_DN * cos(i_s) = I_0 * P_1^(1/sin(α_s)) * cos(i_s)
其中，I_B是与水平面成任意夹角的斜面接受太阳辐射的直射强度(W/m2)；I_DN是太阳辐射到达地表平面时的强度(W/m2)；i_s是太阳直射光线与采光表面的法线夹角；P_1是大气通过率，又称大气透明系数，其物理意义是当太阳高度角为90度时，到达地面的大气辐射强度与大气层外表面太阳辐射之比。
对于散射强度的计算，可以使用辐射强度计算公式：I=E/A，其中I是辐射强度，E是发射的能量，A是作为单位面积收到辐射能量的面积。
另外，太阳辐射的总强度可以通过直射强度和散射强度的叠加来计算。
需要注意的是，这些公式中的参数可能会受到地理位置、时间、天气等因素的影响，因此在实际应用中需要根据具体情况进行调整和修正。
辐射差额，也被称为辐射平衡，是一个描述辐射能量平衡的物理量。
对于地球表面，辐射差额指的是地面所吸收的太阳短波辐射与它放出的长波有效辐射之差。
具体来说，这个差额可以表示为：
Qd=(Qi+Qs)(1-α)-Qe
其中，Qi和Qs分别为到达地面的直接辐射和散射辐射，α为地面的反射率，Qe为地面放出的长波有效辐射。
另一个描述大气辐射差额的公式是：
Ra=qaF0-F∞
其中，Ra表示整个大气层的辐射差额，qa是地面吸收的太阳辐射，F0和F∞分别表示地面及大气上界的有效辐射。
这个公式表明，整个大气层的辐射差额是负值，因为F∞总是大于F0。
一、中国太阳能直接辐射的计算方法()1bS a Q S +='（1）()211111S c S b a Q S ++='（2）⊙()n c S b a Q S 2122++='（3）S ′为直接辐射平均月（年）总量；Q 为计算直接辐射的起始数据，可采用天文总辐射S 0，理想大气总辐射，Q i ,晴天总辐射Q 0来表示。
a ，b ，a 1，b 1，c 1，a 2，b 2，c 2为系数。
n 为云量。
S 1为日照百分率。
相关系数的计算公式：()()()()()()∑∑∑∑∑∑∑∑∑=========⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛--=----=ni n i i ini n i i in i n i ni ii i i n i i i ni i iy y n x x n y x y x n y y x x y y x xr 121212121111221考虑到大气透明度，则有()()n c S b a P P PQ n c S b a P P PQ S i mi 2122cos cos sin sin 12122++=++='+海年海年δϕδϕ（4）其中m 为大气质量：δϕδϕcos cos sin sin 1sinh 1+==Θm 其中，φ为测站的纬度；δ为赤纬角，取每月15日的赤纬值作为月平均值；时角ω统一取中午12时，则ω=0，cosω=1；年P 为测站的年平均气压，P 海为海平面气压，P 海=1013.25mp ，海年P P 为对大气质量进行的高度订正。
对于a 2的计算：当测站的海拔H≥3000m 时，a 2=0.456；当H≤3000m 是，若年平均绝对湿度E ≤10.0mb ，则F a ⨯-=00284.0688.02否则F a ⨯-=01826.07023.02，其中F 为测站沙尘暴日数与浮尘日数之和。
对于（4）式中，系数之间的关系式为{011.1039.02222=+-=+b a c a二、中国太阳能散射辐射的算法)(1n S Qf D ，∑=其中∑D 为散射辐射月（年）总辐射量，Q 为计算散射辐射的起始数据，可采用天文总辐射S 0，理想大气总辐射Q i ,晴天总辐射Q 0来表示；f (S1，n ……）为天空遮蔽度函数。
太阳总辐射通量计算太阳总辐射通量是指太阳辐射在地球大气层顶端单位面积上的能量流量。
它是太阳能利用的重要参考指标，对于太阳能发电、太阳能热利用和气象学研究等领域都具有重要意义。
本文将介绍太阳总辐射通量的计算方法和影响因素。
1. 太阳总辐射通量的计算方法太阳总辐射通量的计算方法主要有两种：直接测量法和间接计算法。
直接测量法是通过太阳辐射测量仪器来实时测量太阳总辐射通量。
常见的测量仪器有太阳辐射计、太阳光谱辐射计等。
这些仪器可以测量太阳辐射的不同波段和能量强度，从而计算出太阳总辐射通量。
间接计算法是通过气象数据和地理位置信息来计算太阳总辐射通量。
根据太阳辐射的特性和地球的运动规律，可以利用数学模型和计算方法来预测和计算太阳总辐射通量。
常用的计算方法有日射量模型、天顶角模型等。
2. 影响太阳总辐射通量的因素太阳总辐射通量的大小受多种因素的影响，包括地理位置、季节、天气条件等。
地理位置是影响太阳总辐射通量的重要因素。
在地球上不同的地理位置，太阳辐射的入射角度和路径长度会发生变化，从而导致太阳总辐射通量的差异。
通常来说，赤道地区的太阳总辐射通量较大，而极地地区较小。
季节也会对太阳总辐射通量产生影响。
由于地球公转轨道的周期性变化，太阳辐射在地球上的入射角度和路径长度随季节变化而变化，从而导致太阳总辐射通量的变化。
通常来说，夏季太阳总辐射通量较大，冬季较小。
天气条件也是影响太阳总辐射通量的因素之一。
云量、大气透明度等天气条件会影响太阳辐射的传播和接收，进而影响太阳总辐射通量的大小。
晴天时太阳总辐射通量较大，阴天时较小。
3. 太阳总辐射通量的应用太阳总辐射通量的准确计算对于太阳能利用具有重要意义。
在太阳能发电领域，太阳总辐射通量是评估光伏发电系统发电潜力的重要指标。
光伏发电系统的发电量与太阳总辐射通量密切相关，通过准确计算太阳总辐射通量，可以评估光伏电站的发电潜力和效益。
在太阳能热利用领域，太阳总辐射通量是评估太阳能热水器、太阳能空调等设备性能的重要指标。
大气程辐射计算算法
大气辐射计算是用于估算大气中太阳辐射和热辐射的传输和吸收过程的算法。
以下是常用的大气辐射计算算法之一：
1. 瑞利散射：瑞利散射是由大气中气体分子引起的散射现象，主要影响短波（可见光）范围内的太阳辐射。
该算法基于瑞利散射的物理原理，使用气体分子浓度和波长等参数来计算散射系数。
2. 米氏散射：米氏散射是由大气中悬浮颗粒（如灰尘、烟雾等）引起的散射现象，主要影响长波（红外）范围内的热辐射。
该算法基于悬浮颗粒的浓度和粒径等参数来计算散射系数。
3. 吸收模型：大气中的水蒸气、二氧化碳、臭氧等气体对太阳辐射和热辐射具有吸收作用。
吸收模型通过考虑不同气体的浓度和其在不同波长下的吸收特性，计算各气体对辐射的吸收系数。
4. 辐射传输方程：辐射传输方程是描述辐射在大气中传输过程的数学方程。
它综合考虑了瑞利散射、米氏散射和吸收等因素，并通过积分或离散方法求解得到辐射强度在不同高度和波长上的分布。
这些算法通常以数值方法实现，在计算大气辐射时需要考虑多种因素，如大气组成、温度、湿度、云量等。
具体的算法选择和实现会因应用领域和精度要求而有所差异。
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